關(guān)于大功率LED散熱技術(shù)分析

廣州市機(jī)電高級(jí)技工學(xué)校 劉小鳳

LED是發(fā)光二極管簡稱的縮寫，是一種以半導(dǎo)體管芯為基礎(chǔ)的發(fā)光材料，隨著半導(dǎo)體材料研究的技術(shù)不斷的成熟，大規(guī)模的發(fā)光二極管得到了廣泛的應(yīng)用。LED發(fā)光二級(jí)管的能耗低、照明強(qiáng)度高，壽命長，能夠根據(jù)具體的需要設(shè)計(jì)不同的尺寸大小，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用室內(nèi)裝修、汽車、道路、城市照明等。在實(shí)際工作中，LED的功率是無法達(dá)到100%的，將近有80%的輸入功率要轉(zhuǎn)換為熱損耗，隨著大規(guī)模、矩陣型的LED燈的使用，能耗也會(huì)變得越來越大，如果不能及時(shí)的處理散熱問題，將會(huì)導(dǎo)致熱量集中在二極管的PN結(jié)，就會(huì)降低LED燈的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤ED。

一、大功率LED的工作原理分析

1、LED結(jié)構(gòu)

PN結(jié)是發(fā)光二極管(LED)的核心，主要是半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，主要是GaAs（砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半導(dǎo)體作為PN結(jié)的主要材料，在一般情況下，LED的主要PN結(jié)是一個(gè)以5mm常規(guī)半徑構(gòu)成，在PN結(jié)的邊緣利用0.23mm的正方形管芯將PN結(jié)粘接或者燒結(jié)在帶引線的二極管支架上，將引線作為二極管的陰極，球形觸點(diǎn)的金絲鍵作為二極管的內(nèi)引線，然后在它們連接到另一支架上，將多個(gè)二極管連接在一起就形成了大規(guī)模的LED矩陣。LED發(fā)光二極管的工作原理是將電能轉(zhuǎn)化光能力的過程，當(dāng)在二級(jí)管的PN結(jié)兩端加上正向偏壓時(shí)，二極管的PN電勢發(fā)生變化，這時(shí)P區(qū)的正離子電荷開始向N結(jié)流動(dòng)，而N結(jié)的負(fù)離子電荷也向P結(jié)流動(dòng)，在P結(jié)與N結(jié)之間開始形成電勢差。在一個(gè)電光轉(zhuǎn)換過程，當(dāng)在PN結(jié)兩端加載一個(gè)正向偏壓時(shí)，就會(huì)在P結(jié)與N結(jié)之間的區(qū)域形成非電荷平衡，這樣在P結(jié)與N結(jié)形成的系統(tǒng)中，形成的載流子是不穩(wěn)定的，在PN結(jié)中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶的電子復(fù)合，形成電流，而產(chǎn)生的多余載流子的能力會(huì)以光的形式輻射出來。

2、大功率LED陣列的熱效應(yīng)及影響

目前，由于大規(guī)模LED矩陣產(chǎn)生的熱量如果得不到及時(shí)的散熱，就會(huì)影響LED的正常使用，在一般的情況，LED的發(fā)光效率使用的能量只能占20%左右，80%的能量作為熱量散發(fā)出去，如果LED的光通能量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)普通照明時(shí)，光通量要達(dá)到1000流明以上，而我們一般使用的LED照明光源LED（1mmX1mm）的功率一般是1瓦左右，而產(chǎn)生的熱流密度就會(huì)達(dá)到106W/m z以上，這時(shí)就需能夠及時(shí)的將產(chǎn)生的熱流傳導(dǎo)出去，否則就會(huì)積累在LED芯片的內(nèi)部，從而會(huì)導(dǎo)致芯片的結(jié)溫升高，最終就燒毀芯片。這是LED芯片設(shè)置必須要解決的問題，當(dāng)多個(gè)芯片封裝在一起時(shí)，在增加光通量的同時(shí)，也產(chǎn)生的更多的熱量散熱問題。電流持續(xù)通過PN結(jié)，在LED光通量增加的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)的溫度升高，進(jìn)而就會(huì)影響LED的PN結(jié)內(nèi)部的電子濃度，同時(shí)也會(huì)影響PN結(jié)的空穴濃度，禁帶寬度等參數(shù)，如果長時(shí)間的不能散熱，就需導(dǎo)致PN結(jié)的正向偏壓、發(fā)光效率、主波長等受到影響，這樣就會(huì)影響LED的使用壽命，也會(huì)影響LED的正常工作。當(dāng)LED結(jié)溫的升高時(shí)，就會(huì)改變PN結(jié)之間的載流子的流動(dòng)，這樣會(huì)嚴(yán)重破壞PN結(jié)的正向偏壓，導(dǎo)致LED不能夠正常工作。如果PN結(jié)溫度持續(xù)升高，它的工作環(huán)境就會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)，PN結(jié)兩邊的熱平衡電子濃度就會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致大量的少子產(chǎn)生，從而就會(huì)很快的激發(fā)PN結(jié)載流子的濃度比雜質(zhì)比就和增加，這時(shí)就會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)的歐姆接觸電阻的電阻率下降，就會(huì)將雜質(zhì)半導(dǎo)體變成了本征半導(dǎo)體，造成PN結(jié)的功能消失，進(jìn)而會(huì)影響PN結(jié)的正常工作。

二、大功率LED散熱技術(shù)處理

大功率LED陣列技術(shù)的芯片密度比較大，而LED的光電轉(zhuǎn)化效率只有20%，而其他的轉(zhuǎn)化為熱能，特別是在LED芯片的密度不斷增加時(shí)，就會(huì)增加LED的操作溫度，這樣就會(huì)減少LED等的使用壽命，當(dāng)LED的操作溫度由63℃上升到74℃時(shí)，如下圖1所示。LED的平均使用壽命就會(huì)降低四分之三，如果要提高LED的發(fā)光效率，就需要對(duì)LED的散熱進(jìn)行處理，降低LED的PN結(jié)的結(jié)溫。

圖1 LED溫度與壽命的關(guān)系

1、風(fēng)冷散熱技術(shù)

空冷散熱一般主要采用的是空氣對(duì)流散熱的技術(shù)，它主要分為自然對(duì)流散熱和強(qiáng)迫對(duì)流散熱技術(shù)兩種方式，空冷散熱技術(shù)主要利用空氣流動(dòng)來散熱，將空氣作為冷卻劑，加大LED器件周圍的空氣流動(dòng)，進(jìn)而能夠?qū)β市蚅ED的器件進(jìn)行散熱處理，風(fēng)冷散熱技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡單，而且LED器件結(jié)構(gòu)也比較簡單，易于封裝處理，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備的成本比較低，它的運(yùn)行十分可靠，而且風(fēng)冷散熱技術(shù)比較成熟，但是它的散熱效率比較低，一般情況下只能用于小功率的LED散熱系統(tǒng)中。在自然對(duì)流散熱技術(shù)的運(yùn)用中，采用散熱器可以增加LED器件的散熱面積，改善LED器件的散熱性能，也能夠降低LED基板器件的相關(guān)系數(shù)，而影響LED散熱性能的因素有多種情況，例如散熱器基板的導(dǎo)熱系數(shù)、器件的對(duì)流換熱系數(shù)等。散熱器的散熱面積直接影響著LED的散熱情況，而散熱器的形狀對(duì)LED的散熱效率影響十分巨大。隨著LED芯片功率的不斷增大，芯片的散熱也就越來越多，采用自然對(duì)流的方式是不能滿足散熱要求，這就需要運(yùn)用小風(fēng)扇來增加LED器件散熱面積的空氣對(duì)流速率，進(jìn)而增加散熱器的散熱系數(shù)，在具體的設(shè)計(jì)中，為了抑制風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音，需要將風(fēng)扇設(shè)計(jì)的比較微小，甚至將其集成在LED系統(tǒng)中，使之技能達(dá)到散熱的效果，也能夠減少風(fēng)扇的噪音。

2、水冷散熱技術(shù)

LED水冷散熱系統(tǒng)是大功率LED設(shè)備中常用的散熱技術(shù)之一，它的散熱介質(zhì)主要是以去離子水為主，充分利用水的循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行散熱。水冷散熱技術(shù)系統(tǒng)主要由水泵、基板、導(dǎo)水管等部件構(gòu)成，它采用水在導(dǎo)水管中的流動(dòng)，達(dá)到對(duì)LED器件進(jìn)行散熱的目的。利用散熱管還可以增加LED的散熱面積，在工作時(shí)將LED芯片產(chǎn)生的熱量傳遞給基板，泵主要功能是為散熱器提供水循環(huán)動(dòng)力，保證離子水能夠循環(huán)流動(dòng)，LED芯片將產(chǎn)生的熱量傳遞給LED基板器件，基板再將熱點(diǎn)傳遞給水，然后導(dǎo)水管通過水的流動(dòng)帶走熱量，達(dá)到具體的散熱效果。采用水冷散熱系統(tǒng)可以快速的降低LED芯片帶來的熱量，與風(fēng)冷散熱相比，雖然水泵在運(yùn)行的過程中還會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，但水冷散熱能夠快速的散熱，具有安靜、對(duì)環(huán)境依賴比較小等優(yōu)點(diǎn)，在一些中小型的LED設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

3、熱管散熱技術(shù)

熱管散熱技術(shù)在LED器件散熱中也比較常見，它主要是利用熱相變來強(qiáng)化導(dǎo)熱器件進(jìn)行換熱的傳統(tǒng)散熱技術(shù)，一般的熱管散熱技術(shù)主要由管殼、吸液芯和端蓋等幾部分構(gòu)成。在LED的熱管設(shè)計(jì)上，將熱管的一端設(shè)計(jì)為蒸發(fā)段(加熱段)，便于吸收LED器件散發(fā)的熱量，將另一端設(shè)計(jì)為冷凝段(冷卻段)，功能是對(duì)傳導(dǎo)過來的熱量進(jìn)行冷卻，大功率的LED陣列一般主要采用導(dǎo)熱膠粘結(jié)在蒸發(fā)段管壁上，以保證能夠有效的對(duì)LED進(jìn)行散熱，在熱管運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)的冷卻液在蒸發(fā)段內(nèi)吸收熱量而蒸發(fā)，進(jìn)而能夠帶走LED器件散發(fā)出的熱量，當(dāng)蒸汽從蒸汽腔流入冷凝段，在放出熱量同時(shí)，也受到冷卻段的冷凝，然后被冷卻液體，達(dá)到對(duì)LED降溫的目的，經(jīng)過冷卻的液體在LED器件的毛細(xì)結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)產(chǎn)生的毛細(xì)力作用下，然后再回流到蒸發(fā)段，這樣通過熱管冷之間的液體、氣體之間的循環(huán)，達(dá)到對(duì)LED器件進(jìn)行降溫的目的，采用熱管冷卻技術(shù)的缺點(diǎn)是設(shè)備的制作工藝復(fù)雜比較復(fù)雜，體積極大，而且設(shè)備的成本比較高，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性不高。

4、熱電散熱技術(shù)

熱電散熱技術(shù)是通過將LED陣列在通電發(fā)光產(chǎn)生的熱能通過導(dǎo)熱材料將其傳遞出來，經(jīng)過冷凝設(shè)備吸收熱量，主要采用熱電之間的控制達(dá)到散熱的目的，它的工作原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)。在無外磁場存在時(shí)，熱電散熱技術(shù)主要包括導(dǎo)熱設(shè)備、焦耳熱損失等效應(yīng)的原理，采用熱電散熱的主要優(yōu)點(diǎn)是它的散熱密度比較大，散熱的結(jié)果比較緊湊，并能夠與IC工藝緊密的結(jié)合在一起，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成效果較好。與其他傳統(tǒng)散熱方式相比，采用熱電散熱器能夠快速的降低LED器件溫度，能夠快速的使得LED系統(tǒng)的溫度降低到36%以上，而且這種技術(shù)還可以進(jìn)行突破，通過選擇冷效率高的熱導(dǎo)材料，并通過優(yōu)化熱電傳導(dǎo)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，典型的熱電散熱技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 熱電散熱技術(shù)結(jié)構(gòu)

5、熱聲散熱技術(shù)

熱聲制冷技術(shù)主要采用熱聲效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)LED器件散熱的目的，熱聲效應(yīng)的工作原理是將LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量加入到聲波密集區(qū)域，在設(shè)備的聲波稀疏時(shí)將LED系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量排出，然后聲波的能量就會(huì)加強(qiáng)。由于聲波在空氣中進(jìn)行傳播時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)或者位移的波動(dòng)，通過聲波產(chǎn)生的壓力波動(dòng)達(dá)到散熱的目的。聲波的傳播還會(huì)受到散熱器的溫度變化波動(dòng)。如果在氣體的壓力、位移以及溫度發(fā)生變化是，就會(huì)與散熱器的邊界發(fā)生接觸，這樣就可以快速的將熱能傳遞出，實(shí)現(xiàn)聲波與熱能的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到散熱的目的，采用聲波散熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是制冷的部件較少，而且使用的成本也比較低，散熱結(jié)構(gòu)比較簡單等。

三、LED散熱技術(shù)指標(biāo)分析

1、PN結(jié)結(jié)溫

PN結(jié)的結(jié)溫主要由于PN在通電的過程中產(chǎn)生的問題，一般情況下是指LED芯片的溫度也是指大功率LED芯片有源區(qū)的溫度。當(dāng)PN結(jié)在工作時(shí)，由于電極之間存在電壓，就會(huì)導(dǎo)致P接與N結(jié)之間產(chǎn)生溫差，影響PN結(jié)結(jié)溫的因素主要有：

（1）LED元器件不良的電極結(jié)構(gòu)。LED的PN結(jié)合材料直接影響著LED的導(dǎo)電情況與PN結(jié)的結(jié)溫，主要包括PN結(jié)的區(qū)域材料、導(dǎo)電銀膠以及視窗層襯底等部分都具有一定的電阻值，如果將這些電阻串聯(lián)在一起，在電流經(jīng)過時(shí)，就會(huì)在PN通電時(shí)產(chǎn)生大量的熱能，如果不能及時(shí)將這些熱能排出，進(jìn)而能夠?qū)е翽N結(jié)或者芯片的溫度提升。

（2）LED元器件工作時(shí)的光電效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)開始工作時(shí)，P區(qū)流向N區(qū)得電荷只有20%的轉(zhuǎn)換成光能，剩余的轉(zhuǎn)換為熱能，才能熱能就是十分巨大的，而且N區(qū)域向P區(qū)產(chǎn)生電荷移動(dòng)時(shí)的能量全部轉(zhuǎn)變成熱能，這也會(huì)影響PN結(jié)的結(jié)溫，如果PN結(jié)的光電效能較差的話，就會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)的結(jié)溫增加。

（3）LED內(nèi)部器件的熱散失能力對(duì)PN結(jié)結(jié)溫產(chǎn)生影響。由于大部分LED器件的內(nèi)部一般采用透明的環(huán)氧樹脂材料，它們的導(dǎo)熱率很低，PN結(jié)區(qū)域產(chǎn)生的熱能只有一小部分通過內(nèi)部器件散發(fā)出去，而大部分的熱量散發(fā)到這種的透明的環(huán)氧樹脂材料材料中，向LED的PCB基板與熱沉等散熱器方向進(jìn)行散熱，這樣就會(huì)導(dǎo)致了LED的散熱效率，也會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)的結(jié)溫升高。

（4）PN結(jié)的制作工藝。目前，在LED的制作工藝都采用了先進(jìn)的技術(shù)水平，幾乎能夠?qū)⑷娴碾娔苻D(zhuǎn)化為熱能，但是如果LED的PN周圍的介質(zhì)對(duì)光的折射系數(shù)過大，就會(huì)將反射回芯片內(nèi)，從而也會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)的結(jié)溫過高。

2、LED熱阻對(duì)散熱指標(biāo)的影響

LED的熱阻也是表征LED熱性能的一個(gè)重要參數(shù)，如果LED設(shè)備的熱阻越小，說明系統(tǒng)的散熱性能較好，也表明LED的散熱通道越流暢，內(nèi)部的散熱設(shè)計(jì)效果越好，這樣LED產(chǎn)生的熱量更容易散失出去，系統(tǒng)的散熱性能越好，當(dāng)系統(tǒng)散熱效果好時(shí)，LED芯片結(jié)溫更容易變低，就能夠提升LED的壽命。一般地，LED的發(fā)熱中心主要是芯片的有源區(qū)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果將LED的芯片尺寸設(shè)計(jì)的相對(duì)面積比較大，而且還比較薄，這時(shí)，可以假定LED散熱是沿著芯片的截面方向垂直傳遞，對(duì)LED的熱阻進(jìn)行分析，從PN結(jié)向外部熱沉，這樣LED的熱擴(kuò)散方式就是向外進(jìn)行擴(kuò)散。在對(duì)LED的熱阻進(jìn)行分析時(shí)，可以將熱阻分為內(nèi)熱阻和外熱阻兩種形式，內(nèi)熱阻是LED芯片固有的熱阻，屬于LED芯片的內(nèi)在性質(zhì)，它與制作LED芯片的材料，形狀及生產(chǎn)工藝等有關(guān)，它對(duì)LED芯片的散熱性能起著決定性的作用。外熱阻是LED芯片的外部殼體、外部熱沉的熱阻，是與LED外部材料直接相關(guān)的，外部熱阻的大小與外部殼體的封裝材料、形式及外部熱沉的導(dǎo)熱率具有直接的聯(lián)系，外部熱阻大，導(dǎo)致LED芯片的總體散熱率下降。

四、結(jié)束語

LED在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用十分廣泛，為了提高LED的使用效率，需要對(duì)LED的散熱效果進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，大功率LED陣列的工作壽命與LED的散熱性能有著直接的關(guān)系，一般情況下，LED在工作過程中，只有20%的電能轉(zhuǎn)換為光能，而其他只是轉(zhuǎn)化為熱能，可見LED在具體的工作過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，這就需要在LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)對(duì)LED的散熱性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效的控制LED的散熱方式，通過采用各種散熱技術(shù)方法來提升LED的散熱效果。在具體的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)LED的使用方法以及LED陣列功率的大小，采用不同的散熱技術(shù)與散熱效果較好的材料，在對(duì)PN結(jié)的結(jié)溫進(jìn)行控制的同時(shí)，還要能夠有效的降低散熱器的熱阻，提高散熱器的散熱效果。

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